電動力學(xué)7-1課件

光波導(dǎo)技術(shù)

任課教授：劉德明

（光電子工程系）光波導(dǎo)的基本概念導(dǎo)波光：受到約束的光波光波導(dǎo)：約束光波傳輸?shù)拿浇榻橘|(zhì)光波導(dǎo)三要素：“芯/包”結(jié)構(gòu)凸形折射率分布，n1>n2低傳輸損耗光波導(dǎo)的分類薄膜波導(dǎo)（平板波導(dǎo)）矩形波導(dǎo)（條形波導(dǎo)）園柱波導(dǎo)（光纖）對稱與非對稱波導(dǎo)矩形波導(dǎo)脊型波導(dǎo)溝道波導(dǎo)平面掩埋溝道波導(dǎo)園柱波導(dǎo):光導(dǎo)纖維單模：8~10mm多模：50mm125mm光波導(dǎo)的進一步分類按折射率分布：均勻折射率分布光波導(dǎo)；漸變折射率分布光波導(dǎo)按傳播模式：單模光波導(dǎo)；多模光波導(dǎo)按材料：石英、塑料與紅外光波導(dǎo)、III-V族材料光波導(dǎo)特種光波導(dǎo)（光纖）：保偏(單偏振)光纖；有源光纖；晶體光纖零/非零色散位移光纖；負(fù)色散光纖；特殊涂層光纖；耐輻射光纖；發(fā)光光纖集成光學(xué)導(dǎo)波光學(xué)：研究波導(dǎo)的導(dǎo)波特性集成光路:功能元件集成PIC:PhotonIntegratedCircuit

OEIC:OptoelectronicIntegratedCircuitMCVD:ModifiedchemicalvapordepositMOCVD:MetalOxidechemicalvapourdepositMBE:MolecularBeamEpitaxyLPE:LiquidPhaseEpitaxyPCVD:Plasmonchemicalvapourdeposit光波導(dǎo)技術(shù)的廣闊應(yīng)用領(lǐng)域光波導(dǎo)技術(shù)有源無源器件光纖通信干線光交換接入網(wǎng)AONDWDMOADMOTDMFTTC,B,O,H

位移、振動溫度、壓力應(yīng)變、應(yīng)力電流、電壓電場、磁場流量、濃度可以測量70多個物理化學(xué)量廣告顯示牌激光手術(shù)刀儀表照明工藝裝飾電力輸送光纖面板醫(yī)用內(nèi)窺鏡潛望鏡

光子集成光電子集成集成光路光收發(fā)模塊光接入模塊光開關(guān)模塊光放大模塊信息獲取信息傳輸信息處理其它應(yīng)用“光谷”：信息產(chǎn)業(yè)新的經(jīng)濟增長點許其貞委員于2000年3月在全國政協(xié)會議提案：建立“武漢中國光谷”美國1998年5月以亞利桑那大學(xué)為中心建立了“美國光谷”法國1999年以Alcatel為依托建立法國光谷廣東省將建立“廣東光谷”長春建設(shè)“長春光谷”北京、重慶、上海、合肥都在建光谷。建設(shè)規(guī)劃面積：50平方公里地域：東至外環(huán)線、南至湯遜湖北岸 西至珞獅路、北至東湖南岸

特征：三湖（東湖、南湖、湯遜湖） 六山（珞枷山、南望山、伏虎山 喻家山、馬鞍山、九峰山）區(qū)劃：科研區(qū)、商貿(mào)區(qū)、居住區(qū)、管理區(qū)人口：40-60萬經(jīng)濟：750億元（光電子600億、生物150億）軟件產(chǎn)業(yè)CAD/CAM/CAPP/CIMSGPS/GIS/RS信息安全技術(shù)軟件地理信息系統(tǒng)與數(shù)字城市管理信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)教育軟件消費光電子光存儲光傳感光顯示數(shù)碼相機新型光源信息光電子光纖光纜光通信器件與光集成光通信系統(tǒng)設(shè)備IP網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備移動通信系統(tǒng)及設(shè)備課程內(nèi)容光波如何進入光波導(dǎo)？（模式的激勵）光波在光波導(dǎo)中如何傳播？(模式分布)光波導(dǎo)的基本特征參數(shù)及測試技術(shù)光波導(dǎo)耦合技術(shù)光波導(dǎo)有源與無源器件光波導(dǎo)中的非線性效應(yīng)光波導(dǎo)傳感技術(shù)光波導(dǎo)集成技術(shù)參考書目《導(dǎo)波光學(xué)》范崇澄、彭吉虎《光纖光學(xué)》劉德明、向清、黃德修《光纖技術(shù)及其應(yīng)用》劉德明、向清、黃德修《介質(zhì)光波導(dǎo)理論》D.Marcuse,劉弘度譯“OpticalWaveguideTheory”SnyderAW，LoveJ.

“Understandfiber-opticalcommunication”分析思路麥克斯韋方程分離變量電矢量與磁矢量分離:可得到只與電場強度E(x,y,z,t)有關(guān)的方程式及只與磁場強度H(x,y,z,t)有關(guān)的方程式；時、空坐標(biāo)分離:亥姆霍茲方程，是關(guān)于E(x,y,z)和H(x,y,z)的方程式；空間坐標(biāo)縱、橫分離：波導(dǎo)場方程，是關(guān)于E(x,y)和H(x,y)的方程式；邊界條件：在兩種介質(zhì)交界面上電磁場矢量的E(x,y)和H(x,y)切向分量要連續(xù)。 模式的基本特征 ----每一個模式對應(yīng)于沿光波導(dǎo)軸向傳播的一種電磁波; ----每一個模式對應(yīng)于某一本征值并滿足全部邊界條件; ----模式具有確定的相速群速和橫場分布. ----模式是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的固有電磁共振屬性的表征。給定的波導(dǎo)中能夠存在的模式及其性質(zhì)是已確定了的,外界激勵源只能激勵起光波導(dǎo)中允許存在的模式而不會改變模式的固有性質(zhì)。模式場分量與縱橫關(guān)系式 模式的場矢量E(x,y)和H(x,y)具有六個場分量:Ex、Ey、Ez和Hx、Hy、Hz(或Er、Eφ、Ez和Hr,Hφ,Hz)。只有當(dāng)這六個場分量全部求出方可認(rèn)為模式的場分布唯一確定。但實際上這并不必要。因為場的橫向分量可由縱向分量Ez和Hz來表示. （見（1.2.25）-（1.2.32）式）模式命名根據(jù)場的縱向分量Ez和Hz的存在與否,可將模式命名為:(1)橫電磁模(TEM):Ez＝Hz＝0;(2)橫電模(TE): Ez＝0,Hz≠0;(3)橫磁模(TM): Ez≠0,Hz＝0;(4)混雜模(HE或EH):Ez≠0,Hz≠0。光纖中存在的模式多數(shù)為HE(EH)模,有時也出現(xiàn)TE(TM)模。射線方程物理意義：將光線軌跡(由r描述)和空間折射率分布(n)聯(lián)系起來;

由光線方程可以直接求出光線軌跡表達(dá)式;

dr/dS是光線切向斜率,對于均勻波導(dǎo)，n為常數(shù),光線以直線形式傳播;對于漸變波導(dǎo),n是r的函數(shù),則dr/dS為一變量,

這表明光線將發(fā)生彎曲。而且可以證明,光線總是向折射率高的區(qū)域彎曲。典型光線傳播軌跡光線分類子午光線：限制在子午平面內(nèi)傳播的光線與光軸相交傾斜光線：軌跡曲線不限制在一個平面內(nèi)不過光軸子午平面子午光線：均勻折射率分布折射率分布:光線軌跡:限制在子午平面內(nèi)傳播的鋸齒形折線。光纖端面投影